Transcriptional programs that regulate development are exquisitely controlled in space and time. Elucidating these programs that underlie development is essential to understanding the acquisition of cell and tissue identity. We present microarray expression profiles of a high-resolution set of developmental time points within a single Arabidopsis root and a comprehensive map of nearly all root cell types. These cell type–specific transcriptional signatures often predict previously unknown cellular functions. A computational pipeline identified dominant expression patterns that demonstrate transcriptional similarity between disparate cell types. Dominant expression patterns along the root's longitudinal axis do not strictly correlate with previously defined developmental zones, and in many cases, we observed expression fluctuation along this axis. Both robust co-regulation of gene expression and potential phasing of gene expression were identified between individual roots. Methods that combine these profiles demonstrate transcriptionally rich and complex programs that define Arabidopsis root development in both space and time.

Fragile X syndrome (FXS) is a multi-organ disease that leads to mental retardation, macro-orchidism in males and premature ovarian insufficiency in female carriers. FXS is also a prominent monogenic disease associated with autism spectrum disorders (ASDs). FXS is typically caused by the loss of fragile X mental retardation 1 (FMR1) expression, which codes for the RNA-binding protein FMRP. Here we report the discovery of distinct RNA-recognition elements that correspond to the two independent RNA-binding domains of FMRP, in addition to the binding sites within the messenger RNA targets for wild-type and I304N mutant FMRP isoforms and the FMRP paralogues FXR1P and FXR2P (also known as FXR1 and FXR2). RNA-recognition-element frequency, ratio and distribution determine target mRNA association with FMRP. Among highly enriched targets, we identify many genes involved in ASD and show that FMRP affects their protein levels in human cell culture, mouse ovaries and human brain. Notably, we discovered that these targets are also dysregulated in Fmr1−/− mouse ovaries showing signs of premature follicular overdevelopment. These results indicate that FMRP targets share signalling pathways across different cellular contexts. As the importance of signalling pathways in both FXS and ASD is becoming increasingly apparent, our results provide a ranked list of genes as basis for the pursuit of new therapeutic targets for these neurological disorders. RNA-recognition elements are identified for the fragile-X-syndrome-associated RNA-binding protein FMRP, in addition to its target messenger RNAs; although many of FMRP gene targets discovered are involved in brain function and autism spectrum disorder, a proportion are also dysregulated in mouse ovaries, suggesting cross-regulation of signalling pathways in different tissues. Fragile X syndrome (FXS) is caused by mutations in the FMR1 gene, which encodes an RNA-binding protein called FMRP. This study from Thomas Tuschl's laboratory has now defined, on a genome-wide level, the targets bound by FMRP and by a disease-associated mutated version of FMRP. Although many of the top targets are involved in brain function and autism spectrum disorder, a surprising number of targets are also dysregulated in mouse ovaries, suggesting cross-regulation of signalling pathways in different tissues.

RNA-binding proteins coordinate the fates of multiple RNAs, but the principles underlying these global interactions remain poorly understood. We elucidated regulatory mechanisms of the RNA-binding protein HuR, by integrating data from diverse high-throughput targeting technologies, specifically PAR-CLIP, RIP-chip, and whole-transcript expression profiling. The number of binding sites per transcript, degree of HuR association, and degree of HuR-dependent RNA stabilization were positively correlated. Pre-mRNA and mature mRNA containing both intronic and 3' UTR binding sites were more highly stabilized than transcripts with only 3' UTR or only intronic binding sites, suggesting that HuR couples pre-mRNA processing with mature mRNA stability. We also observed HuR-dependent splicing changes and substantial binding of HuR in polypyrimidine tracts of pre-mRNAs. Comparison of the spatial patterns surrounding HuR and miRNA binding sites provided functional evidence for HuR-dependent antagonism of proximal miRNA-mediated repression. We conclude that HuR coordinates gene expression outcomes at multiple interconnected steps of RNA processing.

All metazoan eukaryotes express microRNAs (miRNAs), roughly 22-nucleotide regulatory RNAs that can repress the expression of messenger RNAs bearing complementary sequences. Several DNA viruses also express miRNAs in infected cells, suggesting a role in viral replication and pathogenesis. Although specific viral miRNAs have been shown to autoregulate viral mRNAs or downregulate cellular mRNAs, the function of most viral miRNAs remains unknown. Here we report that the miR-K12-11 miRNA encoded by Kaposi's-sarcoma-associated herpes virus (KSHV) shows significant homology to cellular miR-155, including the entire miRNA 'seed' region. Using a range of assays, we show that expression of physiological levels of miR-K12-11 or miR-155 results in the downregulation of an extensive set of common mRNA targets, including genes with known roles in cell growth regulation. Our findings indicate that viral miR-K12-11 functions as an orthologue of cellular miR-155 and probably evolved to exploit a pre-existing gene regulatory pathway in B cells. Moreover, the known aetiological role of miR-155 in B-cell transformation suggests that miR-K12-11 may contribute to the induction of KSHV-positive B-cell tumours in infected patients.

Gene expression in human tissue has primarily been studied on the transcriptional level, largely neglecting translational regulation. Here, we analyze the translatomes of 80 human hearts to identify new translation events and quantify the effect of translational regulation. We show extensive translational control of cardiac gene expression, which is orchestrated in a process-specific manner. Translation downstream of predicted disease-causing protein-truncating variants appears to be frequent, suggesting inefficient translation termination. We identify hundreds of previously undetected microproteins, expressed from lncRNAs and circRNAs, for which we validate the protein products in vivo. The translation of microproteins is not restricted to the heart and prominent in the translatomes of human kidney and liver. We associate these microproteins with diverse cellular processes and compartments and find that many locate to the mitochondria. Importantly, dozens of microproteins are translated from lncRNAs with well-characterized noncoding functions, indicating previously unrecognized biology.

The core promoter, a region of about 100 base-pairs flanking the transcription start site (TSS), serves as the recognition site for the basal transcription apparatus. Drosophila TSSs have generally been mapped by individual experiments; the low number of accurately mapped TSSs has limited analysis of promoter sequence motifs and the training of computational prediction tools. We identified TSS candidates for about 2,000 Drosophila genes by aligning 5' expressed sequence tags (ESTs) from cap-trapped cDNA libraries to the genome, while applying stringent criteria concerning coverage and 5'-end distribution. Examination of the sequences flanking these TSSs revealed the presence of well-known core promoter motifs such as the TATA box, the initiator and the downstream promoter element (DPE). We also define, and assess the distribution of, several new motifs prevalent in core promoters, including what appears to be a variant DPE motif. Among the prevalent motifs is the DNA-replication-related element DRE, recently shown to be part of the recognition site for the TBP-related factor TRF2. Our TSS set was then used to retrain the computational promoter predictor McPromoter, allowing us to improve the recognition performance to over 50% sensitivity and 40% specificity. We compare these computational results to promoter prediction in vertebrates. There are relatively few recognizable binding sites for previously known general transcription factors in Drosophila core promoters. However, we identified several new motifs enriched in promoter regions. We were also able to significantly improve the performance of computational TSS prediction in Drosophila.

RiboTaper quantifies the three-nucleotide periodicity in Ribo-seq data to find translated open reading frames (ORFs). The de novo inferred set of ORFs comprehensively defines the cellular proteome across a wide expression range and comprises few additional translated noncoding regions. RNA-sequencing protocols can quantify gene expression regulation from transcription to protein synthesis. Ribosome profiling (Ribo-seq) maps the positions of translating ribosomes over the entire transcriptome. We have developed RiboTaper (available at https://ohlerlab.mdc-berlin.de/software/ ), a rigorous statistical approach that identifies translated regions on the basis of the characteristic three-nucleotide periodicity of Ribo-seq data. We used RiboTaper with deep Ribo-seq data from HEK293 cells to derive an extensive map of translation that covered open reading frame (ORF) annotations for more than 11,000 protein-coding genes. We also found distinct ribosomal signatures for several hundred upstream ORFs and ORFs in annotated noncoding genes (ncORFs). Mass spectrometry data confirmed that RiboTaper achieved excellent coverage of the cellular proteome. Although dozens of novel peptide products were validated in this manner, few of the currently annotated long noncoding RNAs appeared to encode stable polypeptides. RiboTaper is a powerful method for comprehensive de novo identification of actively used ORFs from Ribo-seq data.

Crosslinking and immunoprecipitation (CLIP) protocols have made it possible to identify transcriptome-wide RNA-protein interaction sites. In particular, PAR-CLIP utilizes a photoactivatable nucleoside for more efficient crosslinking. We present an approach, centered on the novel PARalyzer tool, for mapping high-confidence sites from PAR-CLIP deep-sequencing data. We show that PARalyzer delineates sites with a high signal-to-noise ratio. Motif finding identifies the sequence preferences of RNA-binding proteins, as well as seed-matches for highly expressed microRNAs when profiling Argonaute proteins. Our study describes tailored analytical methods and provides guidelines for future efforts to utilize high-throughput sequencing in RNA biology. PARalyzer is available at http://www.genome.duke.edu/labs/ohler/research/PARalyzer/ .

Epstein-Barr virus (EBV) is a ubiquitous human herpesvirus linked to a number of B cell cancers and lymphoproliferative disorders. During latent infection, EBV expresses 25 viral pre-microRNAs (miRNAs) and induces the expression of specific host miRNAs, such as miR-155 and miR-21, which potentially play a role in viral oncogenesis. To date, only a limited number of EBV miRNA targets have been identified; thus, the role of EBV miRNAs in viral pathogenesis and/or lymphomagenesis is not well defined. Here, we used photoactivatable ribonucleoside-enhanced crosslinking and immunoprecipitation (PAR-CLIP) combined with deep sequencing and computational analysis to comprehensively examine the viral and cellular miRNA targetome in EBV strain B95-8-infected lymphoblastoid cell lines (LCLs). We identified 7,827 miRNA-interaction sites in 3,492 cellular 3′UTRs. 531 of these sites contained seed matches to viral miRNAs. 24 PAR-CLIP-identified miRNA:3′UTR interactions were confirmed by reporter assays. Our results reveal that EBV miRNAs predominantly target cellular transcripts during latent infection, thereby manipulating the host environment. Furthermore, targets of EBV miRNAs are involved in multiple cellular processes that are directly relevant to viral infection, including innate immunity, cell survival, and cell proliferation. Finally, we present evidence that myc-regulated host miRNAs from the miR-17/92 cluster can regulate latent viral gene expression. This comprehensive survey of the miRNA targetome in EBV-infected B cells represents a key step towards defining the functions of EBV-encoded miRNAs, and potentially, identifying novel therapeutic targets for EBV-associated malignancies.